¿Qué es un transistor epitaxial?

El transistor epitaxial es el precursor de muchos dispositivos semiconductores modernos. Un transistor estándar utiliza tres piezas de material semiconductor fusionadas directamente. Los transistores epitaxiales son muy parecidos a un transistor estándar, excepto que tienen una capa de película muy delgada de material semiconductor puro y sin carga depositado entre las secciones del transistor para aislarlos entre sí. Esto mejora en gran medida la velocidad y el rendimiento del dispositivo.

Un transistor estándar está compuesto por tres piezas de un material semiconductor, como el silicio. El silicio de estas piezas se mezcla con un aditivo que les da una carga eléctrica. Para un transistor tipo NPN, un estándar de la industria, dos de las piezas tienen carga negativa mientras que la tercera tiene carga positiva.

Para construir el transistor, las tres piezas de silicio se fusionan, con la pieza cargada positivamente intercalada entre las dos piezas cargadas negativamente. Una vez que estas piezas se fusionan, se produce un intercambio de electrones en los dos lugares donde las piezas se unen, llamadas uniones. El intercambio de electrones continúa en las uniones hasta que se alcanza un equilibrio entre las cargas negativas y positivas. Una vez equilibradas las cargas eléctricas, estas dos áreas ya no tienen ninguna carga y se llaman regiones de agotamiento.

Las regiones de agotamiento en un transistor determinan muchas de las características operativas del dispositivo, como la rapidez con que el dispositivo puede cambiar de estado, llamado conmutación, y a qué voltajes conducirá o fallará el dispositivo, llamado su ruptura o voltaje de avalancha. Debido a que el método para crear regiones de agotamiento en transistores estándar ocurre naturalmente, no son óptimamente precisos y no se pueden controlar para mejorar o alterar su estructura física, más allá de cambiar la fuerza de la carga inicialmente agregada al silicio. Durante años, los transistores de germanio tuvieron velocidades de conmutación superiores en comparación con los transistores de silicio simplemente porque el semiconductor de germanio tendía a formar naturalmente regiones de agotamiento más estrictas.

En 1951, Howard Christensen y Gordon Teal de Bell Labs crearon una tecnología que ahora llamamos deposición epitaxial. Esta tecnología, como su nombre indica, podría depositar una película o capa muy delgada de material sobre un sustrato de un material idéntico. En 1960, Henry Theurer dirigió el equipo de Bell que perfeccionó el uso de la deposición epitaxial para semiconductores de silicio.

Este nuevo enfoque para la construcción de transistores cambió los dispositivos semiconductores para siempre. En lugar de confiar en las tendencias naturales del silicio para formar las regiones de agotamiento de un transistor, la tecnología podría agregar capas muy delgadas de silicio puro y sin carga que actuarían como las regiones de agotamiento. Este proceso proporcionó a los diseñadores un control preciso sobre las características operativas de los transistores de silicio y, por primera vez, los transistores de silicio rentables se hicieron superiores en todos los aspectos con respecto a sus homólogos de germanio.

Con el proceso de deposición epitaxial perfeccionado, el equipo de Bell creó el primer transistor epitaxial, que la compañía puso en servicio inmediato en su equipo de conmutación telefónica, mejorando tanto la velocidad como la confiabilidad del sistema. Impresionado con el rendimiento del transistor epitaxial, Fairchild Semiconductors comenzó a trabajar en su propio transistor epitaxial, el legendario 2N914. Lanzó el dispositivo en el mercado en 1961 y se mantuvo en uso generalizado.

Tras el lanzamiento de Fairchild, otras compañías, como Sylvania, Motorola y Texas Instruments, comenzaron a trabajar en sus propios transistores epitaxiales, y nació la Edad del Silicio de la electrónica. Debido al éxito de la deposición epitaxial en la creación de transistores y dispositivos de silicio en general, los ingenieros buscaron otros usos para la tecnología, y pronto se puso a trabajar con otros materiales, como los óxidos metálicos. Los descendientes directos del transistor epitaxial existen en casi todos los dispositivos electrónicos avanzados imaginables: pantallas planas, cámaras CCD digitales, teléfonos celulares, circuitos integrados, procesadores de computadora, chips de memoria, células solares y una miríada de otros dispositivos que forman la base de todos Sistemas tecnológicos modernos.